賈志敏 張齊炳

(1.貴州黔源北盤(pán)江馬馬崖電站建設(shè)公司，貴州關(guān)嶺 561300;2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州關(guān)嶺 561300)

隨著新奧法思想得到土木工程行業(yè)的普遍肯定，錨噴支護(hù)在各類(lèi)隧洞開(kāi)挖施工中得到了廣泛運(yùn)用。尤其當(dāng)隧洞斷面尺寸較大而圍巖條件又較差時(shí)，一期支護(hù)一般在普通支護(hù)外采取增設(shè)鋼拱架或鋼格柵的方式增強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度及剛度。但二者存在著顯著差別，應(yīng)該注意到，在不同的條件下采用不同的支護(hù)形式，可以獲得較高的性?xún)r(jià)比。貴州北盤(pán)江馬馬崖一級(jí)水電站工程進(jìn)廠交通洞及導(dǎo)流洞工程采取了上述兩種的不同支護(hù)形式，均取得良好效果，對(duì)類(lèi)似工程具有一定的參考意義。

1 概況

1.1 工程概況

馬馬崖一級(jí)水電站位于北盤(pán)江中下游，地處貴州省關(guān)嶺縣花江大橋上游20.2km的峽谷中。該電站為北盤(pán)江干流 (茅口以下)梯級(jí)的第二級(jí)。馬馬崖一級(jí)水電站水庫(kù)正常蓄水位585m，相應(yīng)庫(kù)容1.365億m3;校核洪水位590.29m，相應(yīng)庫(kù)容1.695億m3;電站裝機(jī)容量558MW，安裝3臺(tái)單機(jī)容量為180MW的水輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)單機(jī)容量為18MW的生態(tài)流量機(jī)組，屬日調(diào)節(jié)性水庫(kù)。電站樞紐布置方案為碾壓混凝土重力壩，最大壩高109m;引水發(fā)電系統(tǒng)及地下廠房洞室群均布置于左岸山體內(nèi)。樞紐工程等級(jí)為二等，工程規(guī)模屬大 (2)型。

1.2 地質(zhì)概況

該工程導(dǎo)流洞布置于右岸，斷面為11m×12m城門(mén)洞形，隧洞長(zhǎng)648.91m，出口明渠長(zhǎng)65m，沿線主要穿越地層為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第二段第三層第二小層 (T2g2-3-2)灰色深灰中厚層夾厚層、薄層細(xì)晶灰?guī)r，晶洞灰?guī)r;三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第二段第三層第一小層 (T2g2-3-1)灰色、深灰色中厚層夾薄層灰?guī)r，中部夾10m左右晶洞灰?guī)r，頂部以薄層為主。由上游至下游，導(dǎo)流洞穿過(guò)F6，破碎帶寬0.1～1.0m，影響帶寬0.8～2.0m。裂隙以 N10°～30°W，SW∠65°～85°(以卸荷裂為主，主要發(fā)育于進(jìn)、出口邊坡)、N10°～30°E，NW∠50°～70°及 N50°～70°W、NE∠55°～75°四組較發(fā)育。

進(jìn)廠交通洞位于壩址下游左岸，斷面為11.98m×8.83m(寬×高)馬蹄形，全長(zhǎng)753.34m，進(jìn)口底板高程555.0m、隧洞埋深50～150m，同樣主要穿越T2g2-3-1、T2g2-3-2地層。進(jìn)口洞臉和兩側(cè)邊坡均為斜向坡。洞身段以Ⅲ類(lèi)圍巖為主，局部有斷層破碎帶、溶洞或受風(fēng)化影響，為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖。

2 鋼拱架與鋼格柵作用

鋼拱架及鋼格柵均屬鋼架類(lèi)加強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)，其主要作用是在噴射混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前或不能及時(shí)進(jìn)行噴混凝土支護(hù)位置預(yù)先承擔(dān)圍巖壓力和約束變形，提高初期支護(hù)系統(tǒng)的抗力，確保洞內(nèi)施工安全;同時(shí)在后期支護(hù)中成為永久支護(hù)系統(tǒng)的一部分，有利于洞身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

由于結(jié)構(gòu)形式和制作工藝的差別，鋼拱架及鋼格柵在支護(hù)效果上存在一定的差別，各有優(yōu)缺點(diǎn):

型鋼鋼拱架截面面積大、剛度大、承壓能力較強(qiáng)，能夠有效控制圍巖初期變形。但存在不易與巖體貼合緊密、背后空腔噴混凝土不易填充密實(shí)、與巖體接觸面積小，應(yīng)力較為集中等不足。另外，鋼拱架存在單榀重量大，運(yùn)輸及安裝就位不便等局限。

鋼格柵與混凝土接觸面積大、粘結(jié)效果好，能夠共同變形，共同受力，不易出現(xiàn)收縮裂縫。鋼格柵采用柔性的鋼筋制作，安裝時(shí)可以盡量貼合巖壁，整體性較好，其后方不易出現(xiàn)空腔問(wèn)題。而且其造價(jià)相對(duì)較低，經(jīng)濟(jì)性好;重量輕，制作簡(jiǎn)單，運(yùn)輸和安裝方便。但是鋼格柵又存在整體剛度較低、無(wú)法抵抗較大圍巖應(yīng)力產(chǎn)生的形變等不足。

根據(jù)相關(guān)研究，“鋼拱架剛度比鋼格柵高10%～20%，鋼拱架的初期支護(hù)能夠承受的均布荷載壓力比鋼格柵高約13%。噴混凝土超過(guò)24h后，噴射混凝土以及與錨桿形成的組合拱成為主要的承載結(jié)構(gòu)，此時(shí)鋼拱架和鋼格柵除提高整體強(qiáng)度外，在控制噴射混凝土結(jié)構(gòu)徑向、環(huán)向、斜向裂縫方面也具有相當(dāng)作用”。

3 馬馬崖一級(jí)水電站隧洞開(kāi)挖中加強(qiáng)支護(hù)措施的選用

根據(jù)設(shè)計(jì)勘探情況，導(dǎo)流洞工程及進(jìn)廠交通洞工程地質(zhì)情況如圖1、圖2所示。

圖1 導(dǎo)流洞工程地質(zhì)剖面圖

圖2 進(jìn)廠交通洞工程地質(zhì)剖面圖

馬馬崖一級(jí)水電站壩址兩岸地質(zhì)情況基本相同，左岸為逆向坡，右岸為順向坡。實(shí)際施工開(kāi)始后發(fā)現(xiàn)，由于所在高程和穿越地質(zhì)層面有所不同，導(dǎo)流洞工程和進(jìn)廠交通洞工程地質(zhì)情況亦存在一定程度的不同，故在施工過(guò)程中采取了不同的支護(hù)形式。

3.1 導(dǎo)流洞工程

導(dǎo)流洞進(jìn)口地處右岸12號(hào)沖溝所形成的溶蝕帶，上方存在DR8、DR4危巖體。進(jìn)洞后發(fā)現(xiàn)，該處巖體以厚層夾中厚層為主，但層間夾層及裂隙較為發(fā)育，夾層為軟塑狀黏土夾碎石，裂隙多為鐵質(zhì)及方解石、黏土質(zhì)填充，局部溶蝕強(qiáng)烈，沿層面容易出現(xiàn)大面積塌落的情況。同時(shí)由于進(jìn)口洞段靠近河流且埋深較淺，在卸荷裂隙切割及巖層層面組合作用下，圍巖多形成不穩(wěn)定楔形體，易導(dǎo)致層狀巖體塌方及掉塊。經(jīng)參建各方研究，決定對(duì)進(jìn)口段采用20a工字鋼制作鋼拱架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，間距0.5m。主要優(yōu)點(diǎn)是依靠鋼拱架較大的強(qiáng)度及剛度對(duì)厚層巖體形成有效支撐，由此也可保證其上部整體性較好的層狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，防止沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生大規(guī)?？逅闆r。

另外，F(xiàn)6斷層從導(dǎo)流洞0+390～0+420樁號(hào)穿過(guò)，其產(chǎn)狀為N25～45°W，SE∠80°，逆斷層，破碎帶寬0.1～1.0m，影響帶寬0.8～2.0m。充填方解石、泥質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)角礫巖。根據(jù)開(kāi)挖出露情況，考慮到導(dǎo)流洞斷面較大，鋼拱架較大的剛度在抗微小變形時(shí)具有的優(yōu)勢(shì)，對(duì)拱頂圍巖整體穩(wěn)定有利，該洞段也選擇了工字鋼拱架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

從埋設(shè)在采用工字鋼拱架支撐的洞身段K0+30樁號(hào)處的多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，采用鋼支撐加強(qiáng)支護(hù)的洞段，圍巖應(yīng)變較小且呈收斂狀態(tài)，無(wú)明顯增大趨勢(shì)，說(shuō)明鋼支撐對(duì)圍巖發(fā)揮了較好的支撐作用。多點(diǎn)位移計(jì)過(guò)程線見(jiàn)圖3。

圖3 K0+030.00樁號(hào)，左右邊墻位移計(jì)過(guò)程線

3.2 進(jìn)廠交通洞工程

進(jìn)廠交通洞工程洞身段以Ⅲ2、Ⅳ類(lèi)圍巖為主，地質(zhì)條件與導(dǎo)流洞基本相同，但洞身斷面較小。施工過(guò)程中經(jīng)過(guò)了幾個(gè)斷層破碎帶及溶蝕帶，主要不良地質(zhì)情況為:晶洞灰?guī)r的溶蝕破碎帶容易出現(xiàn)小塊掉塊，薄層巖體層間的黏土夾碎石夾層易出現(xiàn)成層大面積塌落 (層厚普遍10cm至20cm)，由于地下水溶蝕形成囊狀溶洞或小型空腔，部分內(nèi)部充水。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用鋼格柵結(jié)合掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，鋼格柵采用2與16的鋼筋焊接形成，鋼格柵支護(hù)后進(jìn)行掛 6鋼筋網(wǎng)噴混凝土，快速形成支護(hù)體系。根據(jù)觀察，采用鋼格柵加強(qiáng)支護(hù)的洞段，在后續(xù)施工中未再出現(xiàn)掉快現(xiàn)象。在頂拱位置，還采取鋼筋網(wǎng)片與錨桿焊接后形成懸吊格柵系進(jìn)行支護(hù)，端部加設(shè)鋼格柵，也取得了良好效果。

鋼格柵可以采取現(xiàn)場(chǎng)制作安裝，能及時(shí)對(duì)不良地段進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，有利于加快施工進(jìn)度并保障施工安全。鋼格柵結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4。

圖4 鋼格柵結(jié)構(gòu)形式

4 施工中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

在隧洞開(kāi)挖中，應(yīng)用鋼拱架與鋼格柵進(jìn)行支護(hù)可以有效地提高支護(hù)系統(tǒng)的抗力，而在馬馬崖電站實(shí)際施工過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，具體如下:

(1)在導(dǎo)流洞施工中，由于中厚層夾薄層巖體及層間夾層發(fā)育的地質(zhì)情況易產(chǎn)生順層塌落，導(dǎo)致了開(kāi)挖成型效果差，很多部位開(kāi)挖斷面未能形成城門(mén)洞，而是形成類(lèi)似于矩形的斷面。此時(shí)采用鋼支撐支護(hù)，僅頂部及邊墻部分能夠接觸巖體，受力點(diǎn)集中，整體受力情況較差，出現(xiàn)拱架偏壓變形情況，后采取“拱上拱”結(jié)構(gòu)，增加了對(duì)開(kāi)挖巖面的接觸后趨于穩(wěn)定。

(2)鋼支撐須形成整體城門(mén)洞結(jié)構(gòu)受力。導(dǎo)流洞部分洞段邊墻地質(zhì)情況較好，但鋼支撐仍需延伸至邊墻底部，存在一定程度的浪費(fèi)。

(3)鋼支撐與開(kāi)挖頂拱之間的空腔，噴混凝土不易填充飽滿，采用“拱上拱”結(jié)構(gòu)可加大支撐受力面積，但該空腔仍然難以處理，導(dǎo)致二襯后回填灌漿量大。

(4)鋼格柵本身剛度較差，如不與噴射混凝土聯(lián)合作用很難起到支撐作用，但因開(kāi)挖掌子面后續(xù)爆破作業(yè)影響，一般不具備噴混條件，容易導(dǎo)致支護(hù)不及時(shí)而發(fā)生掉塊、薄層垮塌情況，破壞已施工的鋼格柵。

(5)鋼格柵采取現(xiàn)場(chǎng)加工，超挖部位仍可以沿開(kāi)挖面布置，與巖面貼合性較好，噴混凝土?xí)r也易于密實(shí)結(jié)合。但存在焊接工程量大、工藝復(fù)雜的問(wèn)題。施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制鋼筋間距和焊接質(zhì)量，否則容易因受力鋼筋變形或焊接處斷裂而發(fā)生彎折。

綜上幾點(diǎn)，采用鋼拱架或鋼格柵支撐系進(jìn)行一期支護(hù)，各有優(yōu)缺點(diǎn)，建議小斷面，易發(fā)生薄層、小塊掉落的情況選用鋼格柵;大斷面，強(qiáng)卸荷、裂隙切割較深的情況選用鋼拱架，并視情況綜合采取“拱上拱”等加強(qiáng)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

鋼拱架和鋼格柵都是洞室開(kāi)挖中重要的加強(qiáng)支護(hù)手段，施工過(guò)程中合理選用可以加快施工進(jìn)度，根據(jù)不同洞室斷面及地質(zhì)條件，選用不同的支護(hù)形式，可以有效降低工程造價(jià);同時(shí)可以加快對(duì)洞室不良地段的支護(hù)，確保洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工安全。

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